全断面松散卵砾石地层盾构施工扰动研究

2022-07-10董俊华

四川建筑 2022年3期

[摘要]：为了研究大直径泥水盾构下穿沅江河床地层施工过程中对地层水压力和土压力产生的影响，选取常德沅江隧道下穿地层中3种具有代表性的地层，进行流固耦合分析，采用FLAC3D有限元分析软件，分析研究盾构接近到穿过再到远离研究断面的过程中，地层孔隙水压力和土压力的变化规律，以及此过程中管片结构的内力响应及变化，并对3个断面的分析结果进行对比分析，得出主要结论：①盾构掘进过程中，由于开挖造成的掌子面处孔隙水压力作用的降低，使隧道周围孔隙水压变化明显，越靠近掌子面，孔隙水压下降越低;②衬砌背后水压在掘进至监测点位置时，将达到最小值。随着盾构的掘进，监测点孔隙水压逐渐回升;③同一断面位置处拱顶、拱腰、拱底处的孔隙水压力变化情况基本相同，盾构掘进沿纵向对土体的孔隙水压扰动有一定的范围;④沿纵向不同断面位置处，盾构掘进隧道开挖过程中隧道洞周范围内（拱顶、拱腰、拱底）的位移变化曲线相似;其中拱顶发生沉降，当盾构达接近断面时，拱底发生隆起，而后趋于稳定;⑤3个断面地层渗透系数均较大，但由于断面2位于江中水位最高断面，由于地层渗流引起的孔隙水压下降相较于断面1和断面3较小，由于渗流导致的拱顶沉降也较小，同时拱底隆起也较小。

[关键词]：大直径盾构隧道; 泥水盾构; 地层扰动; 数值分析; 流固耦合

U455.43A

随着社会的发展，城市规模的发展越来越多面临穿江越海的工程状况，由于工程技术水平的限制，以往大多采用桥梁的方式连接城市两岸。城市下穿隧道较之桥梁，有着不影响通航、不受天气影响的优势，加之近年施工技术水平的提高，我国越来越多的出线隧道穿越江河的工程实例[1]。

通常而言，泥水盾构开挖过程中会对开挖面前方的地层产生扰动，从而导致其地层沉降及孔隙水压变化，具体变化情况随地层以及施工参数的不同而存在差异。目前对于地层扰动的研究大都采用数值模拟计算的方法进行分析。王乾屾等[1]在不同软土地层中研究盾构施工期间不同阶段地层孔隙水压力的变化规律，发现泥水盾构对对孔隙水压产生的影响随位置变化较为明显。朱建明等[2]依托江苏江阴澄江西路过江隧道工程，研究大直径泥水盾构施工对软土地层的扰动影响。研究表明增大上部土层的E、c、φ值可以有效地减小软土地层的沉降量，降低盾构施工对土体的扰动影响。张忠苗等[3]通过对杭州钱塘江隧道泥水盾构施工的分析，研究了泥水盾构施工引起的地面固结沉降的特点，发现通过优化泥水盾构掘进参数，可减少施工扰动，从而降低固结沉降量和固結沉降时间。温瑜琴等[4]研究了不同覆径比和双圆盾构机有无竖向支撑情况下的地表沉降和隧道周围土体变形。发现当盾构机内部存在竖向支撑时，支撑将隧道上方土体的沉降与下方土体的隆起中和"抵消"，从而有效提升双圆盾构机的竖向承载能力，减小周围地层的变形。

综上所述，针对泥水盾构对地层产生的影响在不同性质的地层中存在不同结果，同时施工参数对地层的作用也十分显著。为此结合沅江下穿隧道，选取下穿地层中3种代表性地层进行数值模拟流固耦合分析，研究大直径泥水盾构穿越强透水卵砾石地层不同埋深情况下，地层扰动情况。

1 工程概况

本文依托工况为常德沅江隧道，隧道整体全长1 980 m，其中明挖段长度300 m，盾构段长度1 680 m，为双洞双向4车道公路隧道，外径11.73 m，内径10.3 m，管片幅宽2 m，采用C50混凝土，采用错缝拼装。盾构穿越区位于沅江下游位置，盾构段下穿河床长度为800 m，河床地层70%为渗透系数极强的圆砾地层，平均渗透系数为120 m/d。整体来看，地层粒径跨度大，颗粒级配差，中颗粒含量较少，导致在开挖过程中细颗粒随孔隙水的流动产生流失[5]，所以对于盾构下穿该地层河床区段的流固耦合数值分析十分有必要。下穿各类地层物理力学参数如表1所示。

1.1 断面及建模

综上所述，本文选取沅江隧道下穿河床区段中3个代表性地层，进行流固耦合分析，研究从盾构机接近、下穿、远离监测断面的过程中，盾构施工对地层的扰动，分析地层孔隙水压力和土压力的变化规律，以及此过程中管片结构的内力响应及变化，并对3个断面的分析结果进行对比分析。

1.1.1 江北岸抗浮梁末端断面

断面1位于东线里程XK0+630 m处，位于江北岸抗浮梁末端，位于抗浮梁加固段与未加固段交接处，处于未加固段内埋深最小断面。且此处盾构穿越地层为整个卵石地层，地层孔隙较大，渗透系数较大，盾构施工过程中，地层极易受到扰动，具有较大的研究意义[6]。根据隧道纵断面图，断面1

地层分布情况如图1所示。

岩土工程与地下工程董俊华：全断面松散卵砾石地层盾构施工扰动研究

根据上述资料，采用利用FLAC3D软件建立三维有限元进行计算。地层和盾构管片采用实体单元模拟。盾构隧道下穿该断面时，埋深约为12.64 m，地下水位线位于地面2.5 m处。盾构隧道管片内径10.3 m，外径11.3 m，厚度0.5 m，管片幅宽2 m。

模型的总体尺寸为80 m（X轴方向）×80 m（Y轴）×80 m（Z轴），坐标原点在隧道中心点处。模型四周和底部设置不透水边界，开挖过程中掌子面设为透水边界，并根据模型水压力特点固定边界水压力[7]。建立的断面1三维有限元模型如图2所示。

1.1.2 江中埋深最大断面

断面2位于东线里程XK01+172 m处，此处为隧道江中埋深最大位置。由于江中大部分地层为圆砾或卵石，渗透系数较大，所以江中埋深最大断面即为水位最高断面，在施工过程中水压较大，故有较大研究意义。断面2地层分布情况如图3所示。

盾构隧道下穿该断面时，埋深约为11.10 m。盾构隧道管片内径10.3 m，外径11.3 m，厚度0.5 m，管片幅宽2 m。和断面1的计算相同，模型总体尺寸与断面1相同。

1.1.3 江南岸埋深最小处

断面3位于东线里程XK01+690 m处，此处为隧道盾构江南大堤下加固区与未加固区交接处，此处地层埋深较浅，且未加固，管片具有一定的上浮风险，具有一定研究意义。断面3地层分布情况如图4所示。

盾构隧道下穿该断面时，埋深约为12.64 m。盾构隧道管片内径10.3 m，外径11.3 m，厚度0.5 m，管片幅宽2 m。

模型总体尺寸与断面1和断面2相同。

2 计算结果及分析

2.1 计算工况地层孔隙水压分析

2.1.1 工况1地层水压分析

盾构穿越地层为卵石地层，渗透系数120 m/d，透水性极强，水位线位于地表下1.6 m，隧道在盾构掘进后，将破坏原始地层中场体的平衡，最典型的变化就是地层中排水边界条件的改变。掘进前，原始地层中的渗流场为稳定的平衡渗流场，掘进后，由于渣土的排出、管片的立即支护和同步壁后注浆，使得地层渗透参数发生很大变化，从而使地层的渗流场发生变化[8]。由于盾构开挖引起的“临空面”的存在，隧道核心土周围土体孔隙水压力为0。

本次计算中为了研究盾构施工中管片衬砌背后的孔隙水压力变化规律，每隔4 m（2环）布置了相应的监测点（该点位于盾构停机计算断面），分别监测拱顶、拱腰、拱底的孔隙水压力。限于篇幅，提取开挖第5步（y=20 m）、开挖第6步（y=24 m）和开挖第7步（y=28 m）时断面的孔隙水压力值，得到沿轴线纵向方向不同位置节点的孔隙水压力变化规律如图5～图7所示。

由图5～图7可得：衬砌背后孔隙水压（在衬砌施作前为该点所处地层孔隙水压），在盾构到达前呈逐渐减小的趋势;盾构在掘进至监测点位置时，由于掌子面涌水降压，监测位置的孔隙水压将达到最小值。随着盾构的掘进，掌子面离监测点位置越来越远，监测点孔隙水压逐渐回升，逐渐趋于稳定[9]。

对比图5～图7可知，开挖完成后孔隙水压降低量拱顶>拱腰>拱底，分析其原因为拱顶距离填土层距离较近，渗透系数远小于卵石层，故孔隙水压力回升收到影响，且3位置在盾构掘进远离监测断面10个开挖步后趋于稳定，说明盾构掘进沿纵向对土体的孔隙水压扰动有一定的范围[10]。

2.1.2 工况2地层水压分析

断面2江水水位高度为12 m，地表水压为0.12 MPa，模型底部水压为0.98 MPa;而在隧道纵向方向上，孔隙水壓梯度无变化。同断面1一样，得到断面2地质条件下沿轴线纵向方向不同位置节点的孔隙水压力变化规律如图8～图10所示。

通过图8可得，由于拱顶处地层渗透性的差异，盾构掘进开挖时拱顶孔隙水压力在盾构到达前一直降低，在盾构离开后有小幅波动，最终开始回升，但最终稳定值相较于初始地层压力值较高，这是由于地层初始水压力较高，盾构开挖时泥浆压力较大，盾构穿过后，泥浆对地层的作用较为明显[11]。通过图9可得，断面2拱腰位置水压力变化与断面1基本相同，但由于开挖时泥浆压力较高，稳定后水压高于初始地层水压[12]。通过图10可得，由于穿越地层渗透性高，盾构离开后，拱底孔隙水压并没有太大的回升迹象。

2.1.3 工况3地层水压分析

断面3地下水位于地表下4 m，故模型顶部水压为0，模型底部水压为0.818 MPa;而在隧道纵向方向上，孔隙水压梯度无变化。同断面1、断面2一样，得到断面3地质条件下沿轴线纵向方向不同位置节点的孔隙水压力变化规律如图11～图13所示。

通过图11可得，盾构掘进开挖时拱顶孔隙水压力在盾构到达前一直降低，在盾构到达监测断面时达到最小，最终稳定值小于原始水压力值，最终经过长时间的恢复，将达到初始地层水压力值[13]。通过图12可得，在盾构离开监测断面后，拱腰水压有一定的增大，随后逐渐降低，并趋于稳定，随着盾构远离，水压逐渐回落[14]。通过图13可得，拱底水压变化与拱顶基本一致，呈现先降低后增大的趋势。

2.2 计算工况地层管片位移分析

2.2.1 工况1管片位移分析

盾构在掘进过程中，对地层的扰动会导致已经拼装完成的管片产生相应的位移。通过分析不同地层条件下管片的位移情况，可以得到开挖的最不利断面，从而对实际施工有一定的指导意义。

限于篇幅，提取开挖第5步（y=20 m）、开挖第6步（y=24 m）和开挖第7步（y=28 m）时断面的拱顶和拱底竖向位移值，得到沿轴线纵向方向不同位置节点的竖向位移变化规律如图14、图15所示。

从图14、图15中可以看出，沿纵向不同断面位置处，拱顶位移的变化曲线相似，盾构机到达监测断面2个开挖步（8 m）时，地层开始明显沉降，盾构机到达监测断面时沉降达到最大，随后，随着注浆压力和地下水位的回升，地层出现隆起，而后趋于稳定。各断面拱底位移变化类似。在盾构未到达前一定范围，拱底基本无位移，当盾构达接近断面时，拱底发生隆起，而后趋于稳定[14]。

2.2.2 工况2管片位移分析

断面1和断面2地层条件下管片衬砌背后孔隙水压力的时程变化关系说明渗透性不同的地层盾构掘进时地层渗流差异性很大，因此孔隙水压力的消减带来的地层位移的变化也不同。通过分析不同地层条件下管片的位移情况，可以得到开挖的最不利断面，从而对实际施工有一定的指导意义。同断面1，得到沿轴线纵向方向不同位置节点的竖向位移变化规律如图16和图17所示。

从图中可以看出，拱顶位置的地层发生沉降，在盾构机刀盘距离监测断面2个开挖步长时沉降显著增大，随后沉降缓慢增大，在大约9～10个开挖步长时趋于稳定。且与断面1较为类似。

2.2.3 工况3管片位移分析

同断面1和断面2，提取洞周位移，作洞周位移变化时程曲线如图18、图19所示。

从图18中可以看出，断面3洞周位置处竖向位移随盾构掘进的变化趋势相同，但由于埋深的原因，该断面下拱顶沉降最大11.38 mm，明显大于其他2个断面。

3 各断面计算结果对比分析

3.1 各断面孔隙水压力影响对比分析

为了更好地体现不同地层之间的施工影响差异，现提取3个断面第4、5、6开挖步隧道拱顶、拱腰、拱底節点的初始孔压力值和开挖完成后的孔隙水压力值如表2～表4所示。

根据表2～表4可知，断面1地层条件下的隧道拱顶孔隙水压力减小值约为0.014 5 MPa，水压力减小比为11.57%。腰孔隙水压力减小值约为0.096 1 MPa，水压力减小比为49.05%左右;隧道拱底孔隙水压力减小值约为0.077 5 MPa，水压力减小比为35.63%左右。

断面2地层条件下的隧道拱顶孔隙水压力减小值约为0.014 5 MPa，水压力减小比为4.86%左右;隧道拱腰孔隙水压力减小值约为0.058 1 MPa，水压力减小比为16.22%左右;隧道拱底孔隙水压力减小值约为0.057 5 MPa，水压力减小比为13.77%左右。

断面3地层条件下的隧道拱顶孔隙水压力减小值约为0.031 9 MPa，水压力减小比为24.18%左右;隧道拱腰孔隙水压力减小值约为0.046 1 MPa，水压力减小比为23.51%左右;隧道拱底孔隙水压力减小值约为0.075 1 MPa，水压力减小比为29.44%左右。

对比表2～表4，同一断面地层条件下，盾构施工对隧道拱顶、拱腰、拱底处孔隙水压力的影响基本相同。在断面2，由于隧道穿越全断面圆砾石地层，其渗透性较大，且位于江中，水头补给充足，开挖引起的隧道周围孔隙水压力的减小值最小。而断面1和断面3位于南北两岸，上覆地层渗透系数较小，盾构到达监测断面时，地下水开始下降，在盾构经过断面后，地层水回升较慢，监测断面的水压回升较慢[15]。

3.2 各断面管片衬砌位移影响对比分析

同理，为了更好地反应不同地层下盾构施工产生的位移影响差异，提取3个断面第4、5、6开挖步位置处隧道拱顶、拱底节点位移如表5、表6所示。

对比上表可以发现，3个工况计算断面在盾构施工过程中，拱顶产生明显沉降，拱底发生明显隆起。其中断面2的位移最小，这是由于断面2位于江中，水资源丰富，地下水可以得到及时的补充，且上部水头较大，故沉降和隆起都较小。断面1与断面3埋深较大，且上部没有水头压力，故竖向位移均较大。

4 结论与建议

常德沅江隧道盾构段主要穿越砂卵石地层，结构松散，渗透系数大，易受施工扰动。本文利用FLAC3D建立相应地层条件的下的单洞隧道开挖流固耦合计算模型，分析盾构隧道穿越相应地层条件下渗流场和位移场的变化情况，对水下盾构隧道穿越富水透水性强地层的施工提供相应的参考。通过对比分析，主要得出结论及建议：

（1）衬砌背后孔隙水压（在衬砌施作前为该点所处地层孔隙水压），在盾构到达前呈逐渐减小的趋势;盾构在掘进至监测点位置时，由于掌子面涌水降压，监测位置的孔隙水压将达到最小值。随着盾构的掘进，掌子面离监测点位置原来越远，监测点孔隙水压逐渐回升。

（2）同一断面位置处拱顶、拱腰、拱底处的孔隙水压力变化情况基本相同，且盾构掘进沿纵向对土体的孔隙水压扰动有一定的范围。

（3）沿纵向不同断面位置处，盾构掘进隧道开挖过程中隧道洞周范围内（拱顶、拱腰、拱底）的位移变化曲线相似;其中拱顶发生沉降，当盾构达接近断面时，拱底发生隆起，而后趋于稳定。

（4）比较3个断面的计算结果，3个断面地层渗透系数均较大，但由于断面2位于江中水位最高断面，在盾构掘进过程中，由于地层渗流引起的孔隙水压下降相较于断面1和断面3较小，由于渗流导致的拱顶沉降也较小，同时拱底隆起也较小。而对于断面2和断面3埋深较小水压较大，施工过程中应该注意上浮问题。

参考文献

[1] 王乾屾，封坤，李德斌，等.泥水平衡盾构施工对地层孔隙水压力的扰动规律研究[J].隧道建设（中英文），2019，39（S1）：266-273.

[2] 朱建明，程海峰，江强.大直径泥水盾构施工对软土地层的沉降影响研究[J].隧道建设，2013，33（5）：348-353.